كان الفيزيائي جون مياو من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس رائدًا في شكل جديد من الفحص المجهري بدقة غير مسبوقة ومجال رؤية
الوجبات السريعة الرئيسية
- لقد تطور المجهر الحاسوبي بسرعة في ربع القرن الأخير، مما مكن الباحثين من تصور الأجسام الصغيرة للغاية وفائقة السرعة من خلال تطبيق خوارزميات متقدمة لتفسير أنماط تشتت الفوتونات والإلكترونات.
- لعب عالم الفيزياء بجامعة كاليفورنيا، جون مياو، دورًا رائدًا في تطوير الطريقة التأسيسية التي حددت ودفعت هذا المجال التحويلي.
- في مقال مراجعة نادر لمؤلف واحد، يقدم مياو أول مسح شامل للفحص المجهري الحسابي وإمكانات التقدم المستقبلي مثل تحديد الهياكل الذرية ثلاثية الأبعاد للعناصر الصغيرة ولكنها مهمة بما في ذلك الكربون والنيتروجين والأكسجين.
في عام 1999، أظهر طالب الدراسات العليا جيانوي “جون” مياو وزملاؤه في جامعة ولاية نيويورك، ستوني بروك، أن الخوارزمية الحسابية، جنبًا إلى جنب مع أنماط الفوتونات المتناثرة، يمكن أن تكشف عن تفاصيل ضئيلة كان من المستحيل في السابق التقاطها بالمجاهر التقليدية. .
بناءً على طريقة راسخة لتحديد الهياكل الذرية تسمى علم البلورات بالأشعة السينية، قاموا بتوسيع نطاق تطبيقها ليشمل الهياكل التي تفتقر إلى الأنماط الموحدة والمتكررة الموجودة في البلورات. تقوم الخوارزمية بإعادة بناء الصور من أنماط الحيود – ترتيب الحزم الكهرومغناطيسية بعد ثنيها وتناثرها أثناء مرورها عبر العينات. تختلف هذه التقنية عن الفحص المجهري التقليدي من خلال الجمع بين الحيود والحساب لتحل محل العدسة الشيئية بشكل فعال.
إذا كنت تتخيل المجاهر باعتبارها أجهزة كمبيوتر، فإن النهج الذي يتبعه مياو هو “التطبيق القاتل” الذي يفتح إمكاناتها الكاملة. على مدى السنوات الخمس والعشرين الماضية، قام العلماء بدمج هذا النهج في أنواع مختلفة من المجاهر، مما دفع مجال الفحص المجهري الحسابي إلى تحقيق دقة ودقة لا مثيل لهما، والتقاط أوسع مجالات الرؤية حتى الآن على العينات قيد التحقيق. وقد أدت هذه التطورات إلى رؤى جديدة تمامًا حول بنية وسلوك المحفزات والموصلات الفائقة ورقائق الكمبيوتر والبطاريات والمواد من الجيل التالي.
قام مياو، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في كلية جامعة كاليفورنيا، بتأليف أول مراجعة شاملة للمجهر الحسابي. – مجلة مرموقة نادرًا ما تعرض مثل هذه المراجعات لمؤلف واحد – تسلط مقالته الضوء على التطورات المبتكرة في هذا المجال، وتعرض تطبيقات متعددة التخصصات وتحدد الاتجاهات المستقبلية.
بالنسبة له، فإن السعي للكشف عن المعرفة الأساسية من خلال التقدم في الفحص المجهري يعكس فلسفة أحد مفكريه المفضلين، الفيلسوف الهولندي باروخ سبينوزا في القرن السابع عشر.
وقال مياو، وهو عضو في معهد كاليفورنيا لأنظمة النانو في جامعة كاليفورنيا: “لقد وجد سبينوزا السعادة المطلقة في اكتشاف الحقيقة في الطبيعة”. “هذه الفلسفة هي دائما في ذهني. كل واحد منا لديه حياة واحدة فقط ليعيشها، وأنا ملتزم بالبحث عن الحقيقة ومعالجة المشاكل العلمية العميقة.”
في معظم أشكال الفحص المجهري – سواء باستخدام الضوء المرئي أو الأشعة السينية أو الإلكترونات أو أنواع أخرى من الإشعاع – تتفاعل الموجات الموجودة في الشعاع أثناء مرورها عبر العينة. يمكن أن تتداخل هذه الموجات خارج الطور، مما يؤدي إلى إلغاء بعضها البعض، أو في الطور، مما يؤدي إلى تضخيم شدتها.
يكمن مفتاح الفحص المجهري الحسابي في فتح معلومات الطور، التي توفر تمثيلًا أكثر ثراءً للعينة من قياسات الكثافة وحدها. ومع ذلك، لا يمكن قياس المرحلة مباشرة. لقد حققت طريقة مياو آفاقًا جديدة من خلال استخلاص معلومات الطور من أنماط الحيود باستخدام خوارزمية حسابية متكررة. تتناوب هذه الخوارزمية مئات إلى آلاف المرات بين تحليل العينة وتحليل الموجات المستخدمة لفحصها.
تركز مقالته المراجعة على طريقتين من طرق الفحص المجهري الحسابي وثيقة الصلة: التصوير الحيود المتماسك، أو CDI، والتيكوغرافيا (مع حرف “p” الصامت في المقدمة).
يستخدم CDI شعاعًا متماسكًا متزامنًا للغاية لتحليل نمط حيود واحد، مما يمكنه من التقاط الأحداث التي تحدث في أجزاء من المليون من المليار من الثانية. بناءً على أساس CDI، تم تقديم التيكوغرافيا الحديثة في عام 2007، باستخدام خوارزمية حسابية تكرارية لإعادة بناء الصور من قياسات الحيود المتداخلة المتعددة. على الرغم من أنه أبطأ من CDI، إلا أن التيكوغرافيا تنتج تفاصيل دقيقة عبر مجال رؤية أكبر ويمكنها تصحيح العيوب في الشعاع.
وبعيدًا عن تفصيل التطورات في التقنيات نفسها، تسلط المراجعة الضوء على الحدود الجديدة التي فتحها المجهر الحسابي، مع تطبيقات تغطي نطاقًا واسعًا من التخصصات العلمية.
استخدم الباحثون CDI وptychography للكشف عن الهياكل البيولوجية المعقدة، والتقاط الظواهر المغناطيسية والكمية على فترات زمنية فائقة السرعة وإجراء عمليات تفتيش ثلاثية الأبعاد وغير مدمرة للرقائق الدقيقة المتطورة. تتيح هذه التقنيات أيضًا المراقبة في الوقت الفعلي لبطاريات الجيل المستقبلي أثناء شحنها. في بحثه الخاص، قام مياو بتكييف هذا النهج الخوارزمي مع المجاهر الإلكترونية المتقدمة دون فحص الحيود لتحقيق اختراق: أول رسم ذري ثلاثي الأبعاد للمواد غير المتبلورة، التي تفتقر إلى الهياكل المنتظمة والمتكررة النموذجية للبلورات.
ويتوقع مياو أن يؤدي التوسع في نطاق الفحص المجهري الحسابي وتعدد استخداماته إلى تحقيق المزيد من الإنجازات بشكل ملحوظ. يقوم هو وباحثون آخرون بالتحقيق في كيفية قيام الذكاء الاصطناعي بتسريع استخلاص معلومات الطور من أنماط الحيود، بهدف تزويد العلماء بآراء في الوقت الفعلي للظواهر التي يدرسونها. وتتوقع مياو أيضا
يتقدم الفحص المجهري الحسابي لتحديد الهياكل الذرية ثلاثية الأبعاد للمواد عالية التقنية، بما في ذلك عناصر مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين، والتي كان من الصعب تقليديًا تصويرها على مستوى الذرة الواحدة.
وقال مياو: “الفيزياء، والكيمياء، وعلوم المواد، وعلم النانو، والجيولوجيا، والرياضيات التطبيقية، والهندسة، وعلوم الحياة – كل مجال سيستفيد”. “المستقبل متعدد التخصصات. الطبيعة نفسها لا تفصل بين التخصصات العلمية؛ أفضل طريقة للوصول إلى الحقيقة هي اتباع الطبيعة.”
في المراجعة، يقر مياو بالدعم المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم – بما في ذلك من STROBE، وهو مركز العلوم والتكنولوجيا التابع لمؤسسة العلوم الوطنية والذي يعمل فيه نائبًا للمدير – وزارة الطاقة، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي، ومكتب أبحاث الجيش الأمريكي.
